p192

pr¨ aoperativen Repositionierung von Knochenfragmenten bei komplizierten

Knochenbr¨ uchen

Kai Bestmann¹, Jan Ehrhardt², Daniel Briem³, Johannes R¨uger³, Stefan M¨uller¹, Heinz Handels²

1Institut f¨ur Computervisualistik, Universit¨at Koblenz, 56070 Koblenz

2Institut f¨ur Medizinische Informatik

3Klinik f¨ur Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie

2,3Universit¨atsklinikum Hamburg-Eppendorf, 20246 Hamburg Email: [email protected]

Zusammenfassung. In diesem Beitrag wird das Softwaresystem PRO- FRAPS zur virtuellen Repositionierung von Knochenfragmenten bei komplexen Frakturen vorgestellt. Mittels verschiedener Visualisierungs- techniken, wie z.B. Farb- und Transparenzdarstellungen, wird die r¨aum- liche Zusammensetzung der Fraktur dem Anwender verdeutlicht. Die detailierte Analyse eng beieinander liegender und verdeckter Fragmente wird dabei durch eine Explosionsdarstellung erm¨oglicht. Die Einzelschrit- te der vollst¨andigen Repositionierung werden in einer Transformations- historie dokumentiert und f¨ur die sp¨atere intraoperative Umsetzung aus- gegeben. Eine integrierte Kollisionserkennung gew¨ahrleistet stets g¨ultige Fragmentpositionen. PROFRAPS wurde an zwei Tr¨ummerfrakturen ge- testet. Eine quantitative Evaluation der Laufzeit ergab, dass die Kollisi- onserkennung auch f¨ur sehr komplexe Frakturen in Echtzeit erfolgt. Die vorgestellte Anwendung erm¨oglicht damit die detaillierte Planung der Fragmentrepositionierung f¨ur eine Operation, indem komplizierte Kno- chenbr¨uche pr¨aoperativ umfassend analysiert und virtuell repositioniert werden.

1 Einleitung

In zahlreichen medizinischen Anwendungen haben sich computergest¨utzte Tech- niken f¨ur die Operationsplanung, –simulation und –durchf¨uhrung in der chir- urgischen Praxis etabliert [1, 2, 3]. Auch im Bereich der Unfallchirurgie exi- stieren (teils kommerzielle) computergest¨utzte Systeme, deren Einsatzgebiete jedoch h¨aufig auf Standardeingriffe, wie z.B. einfache Schaft– oder Gelenkfrak- turen, beschr¨ankt sind [1, 4, 5, 6, 7]. Sie werden oftmals zur Unterst¨utzung der intraoperativen Repositionierung und Fixierung unter Verwendung fluoroskopi- scher Bildgebung eingesetzt. F¨ur die Planung komplizierter Knochenfrakturen, wie z.B. bei Tr¨ummerbr¨uchen im Gelenkbereich, sind diese Anwendungen nur eingeschr¨ankt einsetzbar.

Im klinischen Alltag der Unfallchirurgie werden bei Tr¨ummerfrakturen zu- meist Volumendaten mit Hilfe der Computertomographie erzeugt. Die Fraktur wird anschließend anhand der Schichtansichten des vorliegenden Volumens ana- lysiert und die anstehende Operation geplant. Eine 3D–Visualisierung der Frak- tur unterst¨utzt einen Chirurgen bei diesen Aufgaben. Sie gibt dem Betrachter einen erweiterten Eindruck der r¨aumlichen Zusammenh¨ange zwischen den ein- zelnen Frakturelementen. Aber auch diese Darstellungsform weist Schw¨achen auf. Es existieren Frakturen, bei denen Knochenteile vollst¨andig eingeschlossen und daher nicht sichtbar sind. Zudem gibt eine statische 3D-Ansicht zusam- men mit Schichtbildern oftmals unzureichenden Aufschluss ¨uber die Komple- xit¨at der Positions- und Orientierungsabweichung von der nat¨urlichen Position und Ausrichtung wieder. Um ein umfassendes Verst¨andnis der Fraktursituati- on bei komplexen Tr¨ummerbr¨uchen zu erm¨oglichen, sind daher eine erweiterte 3D–Visualisierung und eine interaktive Manipulation der Knochenteile bez¨uglich Darstellung und Positionierung sinnvoll.

In der hier vorgestellten Arbeit wurde das Softwaresytem PROFRAPS zur pr¨aoperativen Planung von Gelenkfrakturen entwickelt. Mittels verschiedener Visualisierungstechniken wie z.B. der Transparenz– und Explosionsdarstellung wird die r¨aumliche Konstellation und Beschaffenheit der Knochenfragmente ver- deutlicht. Die Knochenfragmente k¨onnen interaktiv repositioniert werden. Da- bei werden die Repositionierungsschritte der Frakturteile vollst¨andig dokumen- tiert und nach Abschluss der Planung in einer f¨ur den Arzt geeigneten Form ausgegeben. Durch die Verwendung von Kollisionserkennungsverfahren wird die Repositionierung in der virtuellen Szene erleichtert und die G¨ultigkeit der Frag- mentpositionen sichergestellt.

2 Methoden

In einem Vorverarbeitungsschritt werden aus den CT–Datens¨atzen Oberfl¨achen- modelle der einzelnen Knochenteile konstruiert. Diese werden zusammen mit den CT–Daten in die Anwendung (Abb. 1) eingeladen. Mittels verschiedener Vi- sualisierungstechniken, wie z.B. Farb– und Transparenzdarstellungen, wird die r¨aumliche Zusammensetzung der Fraktur dem Anwender verdeutlicht. Zus¨atzlich erm¨oglicht eine Explosionsdarstellung der gesamten Knochenfraktur die ¨Uber- sicht ¨uber die vorhandenen Frakturelemente und l¨asst zudem die Analyse eng beieinander liegender und verdeckter Fragmente zu (Abb. 2). Es besteht die Op- tion, die orthogonalen Schichtansichten mit den Konturen der Knochenteile aus der ver¨anderbaren 3D-Szene zu ¨uberlagern, wodurch eine Beziehung zwischen der f¨ur den Arzt gewohnten 2D– und der 3D–Darstellung hergestellt wird.

Die Repositionierung der Frakturteile erfolgt durch rigide Transformationen, wobei Rotationen um frei definierbare Punkte oder Achsen erlaubt werden. Ro- tationspunkte oder –achsen werden entweder in der 3D-Ansicht auf den Ob- jektoberfl¨achen oder in einer der orthogonalen Schichtansichten definiert. Die durchgef¨uhrten Transformationen einzelner oder gruppierter Objekte werden in

Abb. 1.Benutzeroberfl¨ache von PROFRAPS: Links oben ist die 3D–Darstellung der gesamten Fraktur zu finden. Darunter befinden sich die drei verschiedenen Schichten- ansichten, wobei die Konturen der Knochenfragmente jeweils ¨uberlagert dargestellt sind

einer Transformationshistorie hinterlegt. Dies erm¨oglicht die Bewegungsabl¨aufe der Repositionierung nachtr¨aglich zu betrachten.

Wahlweise kann w¨ahrend der Transformation von Knochenfragmenten eine Kollisionserkennung zwischen den einzelnen Objekten durchgef¨uhrt werden. Da- zu wurde die Softwarebibliothek V-Collide [8] mit VTK verkn¨upft. V-Collide wurde nach dem Vergleich mit anderen Kollionsbibliotheken ausgew¨ahlt, da es mit triangulierten, beliebig komplexen polygon–soups umgehen kann und zu- gleich eine ausreichend schnelle Verarbeitung bietet. Die Kollisionserkennung gew¨ahrleistet eine g¨ultige Fragmentposition w¨ahrend der Korrektur. Alterna- tiv ist die M¨oglichkeit gegeben, ¨Uberschneidungen und Ber¨uhrungspunkte von Fragmenten farblich hervorzuheben (Abb. 3).

Der Repositionierungsprozess einer Fraktur kann im XML–Format dokumen- tiert und gespeichert werden. Dabei werden alle Teiltransformationen und Dar- stellungseigenschaften der Knochenfragmente gesichert. Die Modell– und Vo- lumendaten bleiben unver¨andert. Es besteht zudem die M¨oglichkeit pro Frag- ment die Teiltransformationen oder eine einzige durch Faktorisierung ermit- telte Gesamttransformation der Repositionierung im HTML–Format auszuge- ben. In diese druckbare Ausgabe k¨onnen beliebig viele, interaktiv w¨ahlbare 3D–Szenendarstellungen eingef¨ugt werden. Ein Ausdruck dieses Reports kann w¨ahrend der Operation als Hilfestellung genutzt werden, ohne dass zus¨atzliche

Ger¨atschaften im Operationssaal notwendig sind. Er dient der Betrachtung der einzelnen Repositionierungsschritte und dem Verstehen der r¨aumlichen Zusam- menh¨ange.

3 Ergebnisse

PROFRAPS wurde anhand zweier Tr¨ummerfrakturen getestet. Eine Fraktur des Knies bestand dabei aus f¨unf Fragmenten. Bei der zweiten Fraktur handelte es sich um eine Fraktur der H¨ufte, bestehend aus acht Fragmenten. Die Anzahl der Dreiecke, aus denen die verwendeten 3D-Objekte bestanden, lag zwischen 6384 und 225516. Bei den Tests wurden verschieden große und komplexe Kno- chenmodelle willk¨urlich durch die Szene bewegt. Der Repositionierungsprozess der Knochenfragmente konnte auch bei aktiver Kollisionserkennung in Echtzeit erfolgen. Hierbei wurden Berechnungsszeiten von weniger als 0.001 Sekunden ben¨otigt, wodurch eine Anbindung von haptischen Ein– und Ausgabeger¨aten m¨oglich wird. Die optionale farbliche Markierung kollidierender Objektdreiecke bei Transformationen verursachte jedoch eine Frequenz von weit weniger als 25 Hz, da alle von der Kollision betroffenen Modelldreiecke ermittelt und neu dar- gestellt werden m¨ussen.

Abb. 2. Das Bild illustriert die Explosi- onsdarstellung einer Kniefraktur, in der die Fragmente auseinandergezogen und beschriftet werden. Zudem sind die Be- wegungspfade der Fragmente, ausgehend von Szenenmittelpunkt, eingezeichnet.

Abb. 3. Das linke Bild zeigt eine Szene, bei der kollidierende Dreiecke am Tibia- schaft mit der Farbe rot hervorgehoben werden.

4 Diskussion

PROFRAPS erm¨oglicht die Planung der einzelnen Schritte der Fragmentrepo- sitionierung f¨ur eine Operation, indem komplizierte Knochenbr¨uche pr¨aoperativ analysiert und virtuell korrigiert werden. Dazu werden die Fragmente unter- schiedlich dargestellt. Die Explosionsdarstellung findet bei den Medizinern gro- ßen Zuspruch, um eine ¨Ubersicht ¨uber die vorhandenen Fragmente zu gewinnen.

Die Kollisionserkennung arbeitet in Echtzeit und erleichtert die Ermittlung von reproduzierbaren und g¨ultigen Planungsergebnissen.

Der Zeitaufwand f¨ur die Segmentierung der Frakturelemente und die 3D- Modellerstellung ist derzeit noch zu hoch, um die Anwendung im medizinischen Alltag anwenden zu k¨onnen. Deshalb ist f¨ur diesen Prozess eine Optimierung geplant. Zudem gilt es die Qualit¨at der 3D–Modelle zu verbessern, ohne dabei notwendige Informationen zu verlieren. F¨ur die Lehre von Studierenden der Me- dizin außerhalb des Klinikalltags ist eine Nutzung bereits jetzt schon m¨oglich.

In zuk¨unftigen Arbeiten soll PROFRAPS um weitere Komponenten erwei- tert werden: die Anbindung haptischer Ein- und Ausgabeger¨ate [9], Verfahren zur automatischen Repositionierung und die Integration von Fixationsobjekten sowie Methoden, um den Interaktionsaufwand bei der Segmentierung der Frak- tursegmente zu reduzieren.

Literaturverzeichnis

1. Schep NWL, Broeders IAMJ, van der Werken C. Computer assisted orthopaedic and trauma surgery: State of the art and future perspectives. Injury 2003;34(4):299–306.

2. B¨orner M, Lahmer A, Bauer A, Stier U. Experiences with the ROBODOC system in more than 1000 cases. Procs CARS 1998; 689–693.

3. Viceconti M, Lattanzi R, Antonietti B, et al. CT-based surgical planning soft- ware improves the accuracy of THR preoperative planning. Med Eng Phys 2003;25(5):371–377.

4. Gosling T, Westphal R, Hufner T, et al. Robot-assisted fracture reduction: A pre- liminary study in the femur shaft. Med Biol Eng Comput 2005;43(1):115–120.

5. Marschollek M, Teistler M, Bott OJ, et al. Pre-operative dynamic interactive ex- ploration of complex articular fractures using a novel 3D navigation tool. Methods Inf Med 2006;45(4):384–388.

6. Joskowicz L, Milgrom C, Simkin A, et al. FRACAS: A system for computer-aided image-guided long bone fracture surgery. Comput Aided Surg 1998;3(6):271–288.

7. BrainLab AG. Kapellenstr. 12, Feldkirchen, Germany. VectorVision - Trauma; 2006.

8. Hudson TC, Lin MC, Cohen J, et al. V-COLLIDE: accelerated collision detection for VRML. In: Procs VRML. New York: ACM Press; 1997. 117–121.

9. F¨arber M, Drescher F, Ehrhardt J, et al. Integration von haptischen Ein- /Ausgabeger¨aten zur intuitiven Interaktion mit virtuellen K¨orpern in OP-Planungs- systeme. In: Procs GMDS. Leipzig; 2006. 71–72.